特開 2024-94734 表示装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024094734

(43)【公開日】2024-07-10

(54)【発明の名称】表示装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/42 20060101AFI20240703BHJP

   G03H 1/08 20060101ALI20240703BHJP

   G02B 27/01 20060101ALI20240703BHJP

   G02F 1/13 20060101ALI20240703BHJP

【ＦＩ】

G02B27/42

G03H1/08

G02B27/01

G02F1/13 505

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022211470

(22)【出願日】2022-12-28

(71)【出願人】

【識別番号】000231512

【氏名又は名称】日本精機株式会社

(72)【発明者】

【氏名】野本 貴之

【テーマコード（参考）】

2H088

2H199

2K008

【Ｆターム（参考）】

2H088EA10

2H088EA23

2H088EA47

2H088EA48

2H088HA01

2H088HA06

2H088HA22

2H088HA24

2H088HA28

2H088MA01

2H199DA03

2H199DA12

2H199DA15

2H199DA16

2H199DA26

2H199DA29

2K008AA14

2K008FF27

2K008HH01

2K008HH26

(57)【要約】

【課題】視認性を向上できる表示装置を提供する。
【解決手段】本実施形態における表示装置は、レーザ光を出射する光源と、上下左右方向を有する表示領域３１に表示像に係る計算機生成ホログラム３０を表示する空間位相変調器と、空間位相変調器を制御し計算機生成ホログラム３０を生成させる制御部と、を備える。制御部は、表示像に係る計算機生成ホログラム３０の一部である矩形状の所定領域４２のパターン片４３を切り出し、パターン片４３を表示領域３１に所定数配列することにより生成した配列パターン４０を空間変調器に表示させる。
【選択図】 図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ光を出射する光源と、
上下左右方向を有する表示領域に表示像に係る計算機生成ホログラムを表示する空間位相変調器と、
前記空間位相変調器を制御し前記計算機生成ホログラムを生成させる制御部と、を備え、
前記制御部は、前記表示像に係る前記計算機生成ホログラムの一部である矩形状の所定領域のパターン片を前記表示領域に所定数配列することにより生成した配列パターンを前記空間位相変調器に表示させる、表示装置。

【請求項2】

前記配列パターンは、同一の前記パターン片を前記表示領域の上下左右に配列して生成される、請求項１記載の表示装置。

【請求項3】

前記配列パターンは、
前記所定領域の基準パターン片と、
前記計算機生成ホログラムに対して前記所定領域を上下左右に順次所定量ずらした所定領域から切り出され、前記基準パターン片に対してずらした方向に対応して上下左右に順次配列される複数のオフセットパターン片と、で生成される、請求項１記載の表示装置。

【請求項4】

前記所定領域をずらす量は、一定である、請求項３記載の表示装置。

【請求項5】

前記表示装置は、前記レーザ光を前記空間位相変調器に照射し回折光を前記表示像に係る表示光として出射し、出射した前記表示光を投影部材で視認者に向けて反射し、反射した前記表示光を前記投影部材の前方で虚像である再構成像として前記視認者に視認させるヘッドアップディスプレイである、請求項１記載の表示装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、表示装置に関する。

【背景技術】

【0002】

空間位相変調器（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）を用いて、計算機生成ホログラム（ＣＧＨ：Computer-Generated Hologram）に基づく干渉縞含む画像を表示する表示装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特表２００９－５３６７４７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

この種の表示装置においては、ＣＧＨにより表示される実像を目の近くで結像し、この実像を視認者に視認させることにより、遠方に再構成像としての虚像を視認させることが考えられる。この場合、瞳と画像との相対位置関係や、周囲の明暗に依存する瞳の大きさによらずに、ボケることなく、再構成像を好適に視認させることが表示装置には求められる。

【0005】

本開示はこのような事情を考慮してなされたもので、視認性を向上できる表示装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の表示装置は、上述した課題を解決するために、レーザ光を出射する光源と、上下左右方向を有する表示領域に表示像に係る計算機生成ホログラムを表示する空間位相変調器と、空間位相変調器を制御し計算機生成ホログラムを生成させる制御部と、を備え、制御部は、表示像に係る計算機生成ホログラムの一部である矩形状の所定領域のパターン片を表示領域に所定数配列することにより生成した配列パターンを空間位相変調器に表示させる。

【発明の効果】

【0007】

本開示の表示装置は、視認性を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明に係る表示装置の一実施形態であるＨＵＤが搭載された車両の概略図。

【図2】ＨＵＤの概略的な断面図。

【図3】表示器を概略的に示す説明図。

【図4】望遠鏡光学系を説明する図。

【図5】実像と瞳（瞳の外縁）との関係を示す説明図。

【図6】ＣＧＨから配列パターンを生成する処理を説明する概念図。

【図7】配列パターンと再構成像との関係を説明する概念図。

【図8】ＣＧＨから配列パターンを生成する処理を説明する概念図。

【図9】配列パターンと再構成像との関係を説明する概念図。

【発明を実施するための形態】

【0009】

本開示の表示装置の実施形態を添付図面に基づいて説明する。本開示の表示装置は、例えば自動車や二輪車等の車両や、船舶、農業機械、建設機械に搭載され得る。本実施形態においては、本開示の表示装置が自動車である車両１に搭載される、直視方式のヘッドアップディスプレイ１０（以下、「ＨＵＤ（Head Up Display）１０」という。）である例を適用して説明する。

【0010】

図１は、本開示の表示装置の一実施形態であるＨＵＤ１０が搭載された車両１の概略図である。
図２は、ＨＵＤ１０の概略的な断面図である。

【0011】

以下の説明において、「前」、「後」、「上」、「下」、「右」及び「左」は、図６から９における定義「Ｆｒ．」、「Ｒｅ．」、「Ｔｏ．」、「Ｂｏ．」、「Ｒ」及び「Ｌ」に従う場合がある。

【0012】

ＨＵＤ１０は、図１に示すように、車両１のインストルメントパネル２内部に配置される。ＨＵＤ１０は、投射する表示光ＰＬを車両１のウインドシールド３で車両１の視認者４（例えば運転者）の方向に反射させ、車両１の前方に虚像Ｖの表示を行う。すなわち、ＨＵＤ１０は、後述する表示器２０から発せられる表示光ＰＬをウインドシールド３（投影部材）に出射（投射）し、この出射によって得られた表示像（虚像）Ｖを視認者４に視認させる。これにより、視認者４は、虚像Ｖを風景と重畳させて視認し得る。

【0013】

ＨＵＤ１０は、ケース１１内に、表示器２０、反射鏡１２、制御部１３等を収容する。ケース１１は、インストルメントパネル２の上面側に出射口１６を有し、出射口１６を介して表示光ＰＬがケース１１内からウインドシールド３に向けて出射される。なお、出射口１６は、透明性の防塵カバーでカバーされてもよい。

【0014】

表示器２０は、表示光ＰＬを出射する。本実施形態では、表示器２０は、計算機生成ホログラム（ＣＧＨ：Computer-Generated Hologram）を構成する干渉縞を含む表示光ＰＬを出射する。この場合、表示光ＰＬが視認者４の網膜（スクリーン）で結像して、虚像Ｖ（再構成像）がウインドシールド３の前方で視認される。表示器２０の詳細は後述する。

【0015】

反射鏡１２は、例えば凹面鏡であり、表示器２０からの表示光ＰＬを拡大しつつ表示光ＰＬを反射して表示光ＰＬをウインドシールド３に向かうように方向付ける。

【0016】

なお、ＨＵＤ１０は、反射鏡１２を有するが、反射鏡１２は省略されてもよい。また、反射鏡１２は、表示光ＰＬを拡大せず単に反射してもよい。また、ケース１１内には、他の光学系が追加的に配置されてもよい。

【0017】

制御部１３は、例えば制御回路基板であり、表示器２０を制御する。例えば、制御部１３は、視認者４に各種車両情報が虚像Ｖを介して伝達されるように、各種車両情報に応じた表示光ＰＬを適切なタイミングで生成する。虚像Ｖを介して伝達される車両情報の種類や表示器２０の制御方法は、特に限定されず任意である。

【0018】

図３は、表示器２０を概略的に示す説明図である。

【0019】

表示器２０は、光源２１と、コリメート部２２と、空間位相変調器２３と、ハーフミラー２４と、望遠鏡光学系２５と、０次光カットマスク２６と、を有する。

【0020】

光源２１は、例えば、緑色のレーザ光を出射するレーザダイオードである。なお、本実施形態においては、一例として、光源２１は単一色であり一つの光源を有するが、複数色、例えばＲＧＢ用の３つの光源を有してもよい。

【0021】

コリメート部２２は、光源２１の光を平行光にし、空間位相変調器２３に向けて出射する。コリメート部２２は、光源２１の光を実質的に平面波の形態にして空間位相変調器２３に入射させ得る。

【0022】

空間位相変調器２３は、ＣＧＨに基づく干渉縞を表示する反射型の変調器（空間光変調器）である。空間位相変調器２３は、制御部１３による制御下で動作する。空間位相変調器２３は、例えば、ＬＣＯＳ－ＳＬＭ（Liquid Crystal on Silicon-Spatial Light Modulator）である。なお、空間位相変調器２３が反射するレーザ光には、視認者４に向かう車両情報の伝達用の光だけでなく、車両情報の伝達に使用されない０次光が含まれ得る。

【0023】

ハーフミラー２４は、コリメート部２２と空間位相変調器２３との間に、光軸に対して所定角度の傾斜を持って配置される。すなわち、ハーフミラー２４は、コリメート部２２が出射する光を透過させつつ、空間位相変調器２３が回折した光を反射させて望遠鏡光学系２５に入射する。

【0024】

望遠鏡光学系２５は、空間位相変調器２３の回折光による実像ＩＭを拡縮する。望遠鏡光学系２５としては、ケプラー式望遠鏡光学系やガリレオ式望遠鏡光学系を用いることができる。図４に示すように、本実施形態における望遠鏡光学系２５が、ケプラー式望遠鏡光学系である場合、正の焦点距離ｆ１、ｆ２を有する２枚のレンズ２５１、２５２で構成される。２枚のレンズ２５１、２５２は、各レンズ２５１、２５２の焦点距離ｆ１、ｆ２の和に相当する距離を介して配置される。望遠鏡光学系２５の倍率（拡大率）は、空間位相変調器２３側のレンズ２５１の焦点距離をｆ１、実像ＩＭ側のレンズ２５２の焦点距離をｆ２としたとき、下記の式１で表すことができる。

【0025】

［式１］
倍率＝ｆ２／ｆ１
また、ケプラー式望遠鏡光学系では、空間位相変調器２３からレンズ２５１までの距離ａと、各レンズ２５１、２５２の焦点距離ｆ１、ｆ２とが決まれば、レンズ２５２から実像ＩＭまでの距離ｂが一意に決まる。距離ｂを大きくする場合は、焦点距離ｆ１、ｆ２を大きくし、かつ距離ａを小さくする必要がある。

【0026】

本実施形態における表示器２０では、望遠鏡光学系２５を用いて、生成する実像ＩＭのサイズに応じて調整し、画角及び画素サイズを設定する。これにより、解像度を変えることなく実像ＩＭのサイズの調整が可能である。

【0027】

実像ＩＭは、空間位相変調器２３で生成される画像そのままであり、画角は、空間位相変調器２３が生成するＣＧＨの画角θと同様であることから、下記の式２で表される。

【0028】

［式２］

【0029】

０次光カットマスク２６は、空間位相変調器２３の出射光に含まれる０次光を遮断し、０次光が実像ＩＭに到達することを阻止する。望遠鏡光学系２５をケプラー式望遠鏡光学系とした場合には、０次光カットマスク２６は、ケプラー式望遠鏡光学系の焦点位置又はその近傍に配置される。すなわち、ケプラー式望遠鏡光学系では、焦点位置に中間像が生じるため、０次光への対応が容易であり、０次光を効率よく除去することができる。０次光カットマスク２６は、例えば、０次光を遮断可能な遮光性（又は吸光性）の黒点を有する透明なスライドである。０次光カットマスク２６及び黒点の位置やサイズは、０次光が良好に遮断されるように、経験的に調節することができる。

【0030】

このような直視式の表示器２０を用いたＨＵＤ１０においては、視認者４の瞳に直接実像ＩＭ（すなわちＣＧＨ）を視認させて、ウインドシールド３越しに車両１の前方に再構成像としての虚像Ｖを認識させる。

【0031】

ここで、人間の目は、カメラと相似のメカニズムを持つ。すなわち、人間の瞳（瞳孔）が小さい場合は、カメラの絞りが小さい（Ｆ値が大きい）場合に相当する。また、カメラの絞りが小さくなると被写界深度（ピントの合う範囲）が大きくなり、絞りが大きくなると被写界深度が小さくなる。この原理は、人間の目にも当てはまり、瞳が小さくなると被写界深度が大きくなり、瞳が大きくなると被写界深度が小さくなる。すなわち、瞳が小さいときにはボケずに見える範囲（表示像の距離）が広くなり、瞳が大きいときにはぼけずに見える範囲が狭くなる。

【0032】

これは、実像ＩＭを視認して再構成像を認識する際にも同様に当てはまり、実像ＩＭを観察する際、瞳が小さい場合はボケずに見える範囲が広くなり表示像の距離によらずに視認性が得られる。一方、瞳が大きい場合には表示像の距離によってはボケてしまい、十分な視認性が得られない。

【0033】

ここで、図５は、実像ＩＭと瞳７（瞳の外縁）との関係を示す説明図である。

【0034】

瞳７のサイズは直径約２～８ｍｍの範囲で変化する。このため、上述の原理に基づくと、図５の左図及び中図のように、実像ＩＭを小さくし、瞳７の範囲内に入る寸法にすれば瞳７が小さい場合と同様に大きい被写界深度が得られ、距離によらずに表示像がボケずに見えるといえる。しかしながら、実像ＩＭが非常に小さいため、瞳７と実像ＩＭとの相対位置が設計位置よりも少しでもずれた場合、図５の右図のように実像ＩＭの結像位置が瞳７から外れ、その結果再構成像が見えなくなるという課題がある。

【0035】

そこで、本実施形態におけるＨＵＤ１０は、瞳７と実像ＩＭとの位置ずれにより生じる課題に対応すべく、再構成像として視認させたいＣＧＨに対して所要の処理を行うことにより、配列パターンを生成し、これを空間位相変調器２３に表示させるようにした。以下、具体的に説明する。

【0036】

図６は、ＣＧＨ３０から配列パターン４０を生成する処理を説明する概念図である。

【0037】

制御部１３は、表示させたい表示像に係るＣＧＨ３０から、矩形状の所定領域４２のパターン片４３を切り出す。例えば、図６に一例として示すように、ＣＧＨ３０の中心から、ＣＧＨ３０の上下左右の寸法の１／５の寸法である相似形の長方形の領域に相当する部分をパターン片４３として切り出す。

【0038】

制御部１３は、これをＣＧＨ３０の寸法と同じになるように、空間位相変調器２３の表示領域３１の上下左右に所定数配列することにより、ＣＧＨ３０に代えて表示する配列パターン４０を生成する。図６では、パターン片４３を上下に５個、左右に５個、合計２５個となるように並べて、配列パターン４０を生成した。空間位相変調器２３は、この配列パターン４０を表示する。このとき、制御部１３が生成するＣＧＨ３０は一つでよく、生成されたＣＧＨ３０に基づいて、パターン片４３の切り出し、配列により配列パターン４０の生成が行われる。

【0039】

図７は、配列パターン４０と再構成像４５との関係を説明する概念図である。図７及び９においては、説明の便宜上、配列パターン４０が上下に３個配列された例を用いている。

【0040】

視認者４は、瞳７のサイズに合わせて生成されたそれぞれのパターン片４３を図５の左図のように視認すると、上述したとおり視認できる表示像の距離によらずに再構成像４５をボケることなく好適に視認できる。また、図５の右図のように瞳７が一つのパターン片４３からずれても、ずれた位置にも別のパターン片４３が配置されていることから、その別のパターン片４３を視認でき、再構成像４５を好適に視認できる。例えば図７の中段のパターン片４３ａから瞳７の位置が上方にずれたとしても、上段のパターン片４３ｂを視認できることから、再構成像４５ｂを視認できる。

【0041】

しかしながら、図７に図示された視認者４のように、中段及び上段のパターン片４３ａ、４３ｂの境界を跨ぐようにパターン片４３ａ、４３ｂを視認する場合には、中段及び上段のそれぞれの再構成像４５ａ、４５ｂが同時に重畳して見えてしまい、像ずれ４６が生じる結果、二重像が発生する虞がある。

【0042】

そこで、表示器２０は、同一のパターン片４３を配列した配列パターン４０に代えて、オフセットを有する複数のオフセットパターン片を配列した配列パターンを生成してもよい。

【0043】

図８は、ＣＧＨ３０から配列パターン５０を生成する処理を説明する概念図である。

【0044】

制御部１３は、本来表示させたいＣＧＨ３０から、矩形状の所定領域５２のパターン片を基準パターン片５３ａとして切り出す。また、制御部１３は、ＣＧＨ３０に対して基準パターン片５３ａを切り出した領域５２を上下左右に順次所定量ずらし、その領域５２から複数のオフセットパターン片５３を切り出す。いいかえると、基準パターン片５３ａを切り出す領域５２とＣＧＨ３０との相対位置関係を順次所定量ずらしながら、その領域５２から複数のオフセットパターン片５３を切り出す。相対位置関係をずらす量は、例えば切り出す領域５２の上下左右方向の１／４の長さ分等、一定であることが再構成像の視認性の観点から好ましい。また、ずらす量は、適した視認性が得られるように、表示像との関係で任意に調整され決定される設計値であるため、特に限定はされない。

【0045】

例えば、図８に一例として示すように、制御部１３は、ＣＧＨ３０の中心から、ＣＧＨ３０の上下左右の寸法の１／５の寸法である相似形の長方形の領域５２に相当する部分を基準パターン片５３ａとして切り出す。その後、制御部１３は、中心に配置された切り出した領域５２を、領域５２の上下方向長さの１／４に相当する長さ分上方にずらした（ＣＧＨ３０を下方にずらした）領域５２ｂとし、オフセットパターン片５３ｂを切り出す。また、制御部１３は、オフセットパターン片５３ｂを切り出した領域をさらに領域の上下方向長さの１／４に相当する長さ分である同量を上方にずらした（ＣＧＨ３０を下方にずらした）領域５２ｃとし、オフセットパターン片５３ｃを切り出す。同様に、下、右及び左方向にも切り出す領域５２を同量ずつずらして、オフセットパターン片５３を切り出す。その後制御部１３は、得られた複数のオフセットパターン片５３を、基準パターン片５３ａに対して上下左右の対応する位置に順次配列する。具体的には、例えば基準パターン片５３ａに対してＣＧＨ３０が順次右にずれ、領域５２で切り出された各オフセットパターン片５３を、基準パターン片５３ａの右に順次配置する。

【0046】

図９は、配列パターン５０と再構成像５５との関係を説明する概念図である。

【0047】

図９に示すように、所定量ずらしたオフセットパターン片５３は、ＣＧＨ３０の原理から再構成像５５の傾きを変化させることになる。これにより、図７で説明したように、視認者４が中段及び上段のオフセットパターン片５３ｄ、５３ｅの境界を跨ぐように配列パターン５０を視認した場合であっても、互いの再構成像５５ｄ、５５ｅは傾きを異にしつつ重なり合うように表示されることから、図７の場合に比べて再構成像５５の重畳による像ずれ４６により二重像が発生することを抑制できる。

【0048】

この結果、本実施形態におけるＨＵＤ１０は、視認性を向上できる。

【0049】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【0050】

例えば、パターン片を切り出す所定領域の形状は、長方形に限らず正方形でもよい。

【0051】

また、本開示の表示装置をヘッドアップディスプレイ１０に適用して説明したが、ヘッドマウントディスプレイ等の他の虚像を表示する用途に適用してもよい。

【符号の説明】

【0052】

１ 車両
２インストルメントパネル
３ウインドシールド
４ 視認者
７ 瞳
１０ ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）
１１ ケース
１２ 反射鏡
１３ 制御部
１６ 出射口
２０ 表示器
２１ 光源
２２ コリメート部
２３ 空間位相変調器
２４ ハーフミラー
２５ 望遠鏡光学系
２６ ０次光カットマスク
３０ 計算機生成ホログラム
３１ 表示領域
４０ 配列パターン
４２ 所定領域
４３、４３ａ、４３ｂ パターン片
４５、４５ａ、４５ｂ 再構成像
５０ 配列パターン
５２ 領域
５３ オフセットパターン片
５３ａ 基準パターン片
５３ｂ、５３ｃ、５３ｄ、５３ｅ オフセットパターン片
５５、５５ｄ、５５ｅ 再構成像
ＰＬ 表示光
Ｖ 虚像
ＩＭ 実像

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】